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Catégorie : Soutenances de thèse et de HDR

Jeudi 20 juin 2019 : Soutenance de thèse de Xue GAO : Spin injection into semiconductors and organic materials

Xue GAO Doctorante au sein de l'équipe "Nanomatériaux et Optique" de l'Institut Jean Lamour, soutient sa thèse intitulée :

"Spin injection into semiconductors and organic materials"

 

Date et lieu :
Jeudi 20 juin 2019 à 9h00
Campus Artem, Nancy
Amphithéâtre 200

 

Composition du jury :

Directeur de thèse :

- Dr. Yuan Lu
Chargé de Recherche, Université de Lorraine, Institut Jean Lamour

Co-directeurs de thèse :

- Hui Yang
Professeur, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences

- Dr. Mathieu Stoffel
Maitre de Conférences, Université de Lorraine, Institut Jean Lamour

Examinateurs :

- Dr. Bérangère Hyot
Ingénieur de Recherche, CEA-LETI

- Prof. Chunping Jiang
Professeur, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences

- Dr. Henri Jaffrès
Chargé de Recherche, Unité mixte de Physique CNRS Thalès

Rapporteurs :

- Prof. Zhongming Wei
Professeur, University of Chinese Academy of Sciences

- Prof. Philippe Schieffer
Professeur, Université de Rennes

Invité :

- Dr Jean-Marie George
Directeur de Recherche, Unité mixte de Physique CNRS Thalès

 

Résumé :
La spintronique utilisant des matériaux semi-conducteurs est un sujet de recherche très actif. Elle permet de combiner le potentiel des semi-conducteurs (traitement de l’information, contrôle du courant par grille, couplage avec l'optique, etc.) avec le potentiel des matériaux magnétiques (stockage de l’information, contrôle du courant par manipulation de spin, non-volatilité, etc.). Par exemple, il devrait être possible d’intégrer sur une même puce différentes opérations permettant à la fois le stockage et le traitement de l’information. L’injection d’un courant polarisé en spin dans des semi-conducteurs à base de GaAs a conduit à des résultats prometteurs. Alternativement, le GaN pourrait être un bon candidat pour des applications en spintronique car le temps de relaxation de spin est très long. Comparée à la spintronique inorganique, la spintronique organique est également un domaine de recherche en plein essor en raison de la longue durée de vie de spin des porteurs de charge ainsi que de leur coût relativement bas, de leur flexibilité et de leur diversité chimique.
 Dans cette thèse, nous étudierons l’injection d’un courant polarisé en spin dans une spin-LED contenant soit une couche unique de points quantiques à base de InAs/GaAs soit des puits quantiques InGaN/GaN. Enfin, nous étudierons le transport d’un courant polarisé en spin au travers d’une jonction tunnel multiferroiques.
Dans un premier temps, nous montrerons que la polarisation circulaire de la lumière émise par une LED contenant une couche unique de points quantiques InAs / GaAs (QD) InAs / GaAs dopés p peut atteindre environ 18% sans champ magnétique extérieur. Une corrélation claire est établie entre le degré de polarisation de la lumière émise et l’aimantation perpendiculaire de l’injecteur. La polarisation atteint un maximum pour une polarisation appliquée de 2.5 V à 10 K, ce qui correspond à un courant injecté de 6 µA. En outre, nous observons un comportement remarquable de la polarisation pour un température comprise entre 60K et 80K. Les mesures dépendantes du courant de la polarisation révèlent une faible dépendance à 60K alors qu'une forte dépendance est obtenue à 10K et 100K. L’évolution de la polarisation en fonction de la température est discutée à la      lumière de la compétition entre le temps de vie de recombinaison radiative τr et le temps de relaxation de spin τs. Nous pensons que ces résultats peuvent aider à mieux comprendre l’injection de spin et la conversion en lumière polarisée circulairement dans le LED d'un ensemble de points quantiques InAs / GaAs dopés p.
De plus, nous avons développé un injecteur de spin présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur GaN. Les injecteurs de spin Fe/MgO et Co/MgO ont été étudiés. Nous avons d’abord optimisé la croissance de MgO pour différentes températures du substrat en utilisant d’une part la diffraction d’électrons de haute énergie en incidence rasante et d’autre part la microscopie à force atomique. Nous avons ensuite étudié la croissance de Fe puis de Co sur MgO/GaN. L’injecteur de spin Co(0001)/MgO(111) a été retenu car celui-ci permet d’obtenir un anisotropie magnétique perpendiculaire. De plus, les calculs ab initio ont également montré que l’interface Co/MgO(111) présente une grande anisotropie magnétique. Nous avons ensuite déposé l’injecteur de spin Co (0001) / MgO (111) sur une LED à base de GaN de type n-i-p. La caractéristique I-V est typique d’un comportement de type diode. Cependant, aucune polarisation de spin n'a été détectée lors des mesures préliminaires d’électroluminescence résolues en polarisation. Cela pourrait être dû à la formation d'une couche d'oxyde à l'interface Co/MgO ou à une structure de LED GaN non optimisée.
Finalement, nous étudions les MFTJ basés sur une barrière de PVDF organique dopée avec des nano-particules de Fe3O4. Les jonctions tunnel multiferroïques organiques (OMFTJ) ont récemment attiré beaucoup d'attention puisqu'elles combinent les avantages de l'électronique de spintronique, organique et ferroélectrique. Nous avons fabriqué avec succès une multicouche de La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co, dans laquelle la barrière organique en poly (fluorure de vinylidène) (PVDF) a été dopée avec des nanoparticules ferromagnétiques de Fe3O4. En modifiant la polarisation du PVDF, l’effet tunnel dans la jonction multiferroïque peut être commuté via la partie LSMO/PVDF/Co (polarisation positive) ou via la partie Fe3O4/PVDF/Co (polarisation négative). Cela correspond à une inversion de la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) de + 10% à -50%, respectivement. De plus, l’incorporation de nanoparticules de Fe3O4 améliore les propriétés de ferroélectricité de la barrière de PVDF, ce qui nous permet d’obtenir une électrorésistance tunnel (TER) d’environ 280% à 40K et de 100% à température ambiante. Notre étude montre que les jonctions tunnel multiferroïques organiques dopées avec des particules magnétiques pourraient créer de nouvelles fonctionnalités en jouant sur l’interaction du magnétisme des nanoparticules avec la ferroélectricité de la barrière organique.

Mots clés : GaN, l’injecteur de spin Co/MgO, LED à base de GaN, OMFTJ basés sur PVDF: Fe3O4

 

Abstract :
Spintronics with semiconductors is very attractive as it can combine the potential of semiconductors (control of current by gate, coupling with optics, etc.) with the potential of the magnetic materials (control of current by spin manipulation, nonvolatility, etc.). It should be possible, for example, to integrate different functionalities such as storage, detection, logic, and communication capabilities on a single chip. Early spin studies have shown good results on GaAs based systems. Alternatively, GaN has a long spin relaxation time, which could be of potential interest for spintronics applications. Compared to inorganic spintronics, organic spintronics is also very appealing because of the long spin lifetime of charge carriers in addition to their relatively low cost, flexibility, and chemical diversity. Research about semiconductor spintronics and organic spintronics have gained an ever-increasing interest in recent years.
In this thesis, we investigate spin injection in spin LEDs containing either InAs/GaAs quantum dots or InGaN/GaN quantum wells. Moreover, we further study spin polarized transport in organic multiferroic tunnel junctions (OMFTJs).
Firstly, we will show that the circular polarization of the light emitted by a LED containing a single layer of p-doped InAs/GaAs quantum dots (QDs) can reach about 18% under zero applied magnetic field. A clear correlation is established between the polarization degree of the emitted light and the perpendicular magnetization of the injector layer. The polarization reaches a maximum for an applied bias of 2.5V at 10K, which corresponds to an injected current of 6 µA. In addition, we report a remarkable behavior of the polarization in the temperature region 60-80K. Current dependent measurements of the polarization reveals a weak dependence at 60K while a strong dependence is obtained at 10K and 100K. The interpretation of the bias and temperature dependence of the polarization is discussed in light of the competition between radiative recombination time τr and the spin relaxation time τs. We believe that these findings can help to get a better understanding of the spin injection and conversion to circularly polarized light from an ensemble of p-doped InAs/GaAs QDs under different operation conditions.
In addition, significant efforts have been devoted to developing a perpendicular spin injector on GaN based materials to achieve spin injection without applying a magnetic field. Both Fe/MgO and Co/MgO systems were investigated for their possible use as spin injectors for GaN based spintronic devices. Firstly, the growth of MgO has been investigated at various growth temperatures by using both in-situ RHEED and ex-situ AFM measurements. Then, we studied the growth of either Fe or Co on MgO/GaN. In contrast to Fe/MgO, the Co/MgO spin injector yields a clear perpendicular magnetic anisotropy. In addition, ab-initio calculations have been performed to understand the origin of the perpendicular magnetic anisotropy at the Co/MgO(111) interface. Hereafter, we choose to grow the Co(0001)/MgO(111) spin injector on top of a n-i-p type GaN LED structure. I-V characteristic showed a typical rectifying behavior. However, no circular polarization was detected in the preliminary polarization-resolved EL measurements. This could be due to the formation of an oxide layer at Co/MgO interface or an un-optimized GaN LED structure.
Finally, we investigate multiferroic tunnel junctions (MFTJs) based on organic PVDF barriers doped with Fe3O4 nano particles. The organic MFTJs have recently attracted much attention since they can combine advantages of spintronics, organic and ferroelectric electronics. Here, we report on the successful fabrication of La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co OMFTJ, where the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) organic barrier has been doped with ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles. By changing the polarization of the ferroelectric PVDF, the tunneling process in OMFTJ can be switched either through the LSMO/PVDF/Co part (positive polarization) or through the Fe3O4/PVDF/Co part (negative polarization). This corresponds to a reversal of tunneling magnetoresistance (TMR) from +10% to -50%, respectively. Moreover, the incorporation of Fe3O4 nanoparticles improves the ferroelectric properties of the PVDF barrier, allowing us to obtain a tunneling electroresistance (TER) of about 280% at 40K and 100% at RT. Our study shows that the doping of OMFTJs with magnetic nanoparticles can create new functionalities of organic spintronic devices by the interplay of nanoparticle magnetism with the ferroelectricity of the organic barrier.

Key words : GaN, Co/MgO spin injector, GaN based spin LED, PVDF: Fe3O4 based OMFTJ